Хранение радиоактивных отходов и изменение климата: чего нам ждать?

Замена угольных и газовых электростанций атомными может помочь человечеству значительно снизить объем выбрасываемых парниковых газов и сократить масштаб климатических изменений. Однако производство атомной энергии сопровождается появлением радиоактивных отходов. Существует множество технологических процессов, приводящих к образованию таких отходов, и возможных мест их захоронения. Дальнейшее изменение климата увеличит вероятность возникновения опасных природных явлений и изменений в окружающей среде, чреватых новыми рисками для пунктов захоронения ядерных отходов.

Замена угольных и газовых электростанций атомными может помочь человечеству значительно снизить объем выбрасываемых парниковых газов и сократить масштаб климатических изменений. Однако производство атомной энергии сопровождается появлением радиоактивных отходов. Существует множество технологических процессов, приводящих к образованию таких отходов, и возможных мест их захоронения. Дальнейшее изменение климата увеличит вероятность возникновения опасных природных явлений и изменений в окружающей среде, чреватых новыми рисками для пунктов захоронения ядерных отходов.

Согласно моделям, описывающим изменение климата, существенные сдвиги метеорологического и экологического характера, которые произойдут на Земле, могут серьезно повлиять на безопасность нынешних и будущих захоронений. В частности, ожидается рост атмосферного давления, деградация вечной мерзлоты, повышение уровня моря, увеличение частоты и интенсивности бурь и осадков, а также повышение максимальной скорости ветра в тропических циклонах. За глобальным потеплением последуют изменение паводкового режима, усиление нестабильности склонов, учащение оползней, а также экстремальные приливные явления. Рост температуры и интенсивные осадки, как ожидается, также станут причиной геологических и геоморфологических процессов, которые приведут к изменению характера движения тектонических плит. Соответственно, возрастет число землетрясений, цунами и всплесков вулканической активности. В настоящей статье обосновывается необходимость учета этих факторов, принимая во внимание текущие и предлагаемые нормы, регулирующие захоронение ядерных отходов.

AFP

Проблема ядерных отходов

Радиоактивные отходы поступают из множества источников. К их числу относятся атомные электростанции (на них приходится основная доля), военные ядерные программы и другие субъекты, использующие радиоактивные материалы (медицинские учреждения, фермы, промышленные предприятия, научно-исследовательские институты и др.). Сегодня эти отходы размещаются, как правило, в приповерхностных хранилищах либо направляются в специально оборудованные пункты временного хранения. Это делается для того, чтобы избежать возможного пагубного воздействия радиоактивных веществ на окружающую среду и здоровье людей. Выбранный вариант утилизации зависит от типа отходов — их формы (жидкая, газообразная, твердая), объема и степени радиоактивности (низкоактивные, среднеактивные, высокоактивные). Поскольку период полураспада радионуклидов может варьироваться от долей секунды до миллиардов лет, для безопасного хранения некоторых типов отходов требуются долгосрочные решения.

Основную массу составляют отходы с низким уровнем радиоактивности, которые требуют соблюдения достаточно простых мер безопасности. Как правило, их в специальных контейнерах помещают в приповерхностные хранилища, которые представляют собой либо защищенные сооружения на уровне поверхности земли, либо подземные пещеры на глубине нескольких десятков метров. Для отходов среднего уровня радиационной активности необходимы особые условия хранения. Особенность этих отходов заключается в том, что они становятся безвредными через относительно короткий промежуток времени — менее 100 лет. Особые условия хранения требуются и для высокоактивных отходов, производимых в рамках гражданских и военных атомных программ, при этом радиоактивными они остаются крайне долго. Период полураспада такого долгоживущего радионуклида, как уран-238, составляет 4,5 млрд лет, а плутония-239 — 24 тыс. лет.

В настоящее время отходы среднего и высокого уровня радиоактивности в большинстве случаев размещаются во временных хранилищах на поверхности или под поверхностью земли. Так будет продолжаться до тех пор, пока не появятся безопасные варианты долгосрочной утилизации. В частности, используются бассейны выдержки отработавшего топлива, площадки сухого хранения или защищенные помещения на атомных электростанциях либо в централизованных хранилищах. Поскольку классификация радиоактивных отходов, особенно низкоактивных, может различаться в тех или иных странах, их общий объем с трудом поддается оценке. В случае с отходами средней и высокой радиоактивности определить объем сложно в связи с отсутствием в открытом доступе информации относительно военных ядерных программ, а также недостатком данных о ранних ядерных программах ряда стран.

С современными хранилищами атомных отходов связаны две крупные проблемы. Первая — многие из используемых площадок не подходят для этой цели. Так, на комплексе «Селлафилд» в Великобритании в настоящее время реализуется многомиллиардный проект, в рамках которого отходы среднего уровня радиоактивности удаляются из хранилищ под открытым небом и помещаются в стальные бочки, пригодные для долгосрочного хранения. Вторая проблема — у большинства стран нет никаких планов относительно долгосрочного захоронения своих отходов. Лишь единицы сегодня начинают разрабатывать и сооружать могильники, способные обеспечить безопасное хранение радиоактивного материала на протяжении сотен тысяч лет.

Ситуация в России аналогична ситуации в других странах. Во-первых, в течение полувека решение об окончательной утилизации радиоактивных отходов откладывалось, и в результате был накоплен значительный объем таких отходов (около 500 млн т). Во-вторых, разнообразие используемых гражданских, военных и экспериментальных реакторов приводит к тому, что стране приходится иметь дело с множеством различных типов атомных отходов. Поэтому для хранения и утилизации нужен комплексный подход, учитывающий взаимодействие между радионуклидами при их распаде. В-третьих, в ближайшем будущем объем радиоактивных отходов возрастет в связи с тем, что многие старые промышленные площадки и атомные электростанции советского времени необходимо будет вывести из эксплуатации. В-четвертых, Россия относится к числу стран, импортирующих атомные отходы в рамках договоров аренды топлива с целью их дальнейшей переработки, хранения или утилизации.

REUTERS/Stoyan Nenov
Десмонд Браун, Игорь Иванов:
От безопасности атомной энергетики
к ядерной безопасности

Хранение радиоактивных отходов в России осуществляется в основном во временных хранилищах — на 136 промышленных площадках и в 1466 пунктах временного хранения в 43 регионах (см. карту России с указанием объемов ядерных отходов). В большинстве случаев отходы хранятся на специально сооруженных для этой цели объектах: в наземных пунктах хранения в металлических или бетонных контейнерах; в металлических или бетонных резервуарах (наземных или подземных) без контейнеров; в открытых бассейнах для жидких отходов. Отработанное топливо хранится на электростанциях в приреакторных бассейнах выдержки и в бассейнах двух компаний ГК «Росатом» (ФГУП «ГХК» и ФГУП «ПО “Маяк”»), на судах, обслуживающих атомные ледоколы, а также на ряде объектов, расположенных на берегу.

Кратко- и среднесрочное хранение

Поскольку атомные электростанции по возможности строятся в изолированных районах с доступом к большим объемам охлаждающей воды, многие АЭС и их пристанционные хранилища расположены недалеко от берега и на небольшой высоте. Например, в Великобритании все действующие и большинство выведенных из эксплуатации атомных электростанций находятся на морском побережье либо в устьях рек. Значительная часть отходов с советских и российских электростанций также хранится на морском берегу. Начиная с 1960-х гг. вдоль берега строились специальные военно-морские базы для хранения нового и отработанного топлива с ядерных подводных лодок, а также жидких и твердых радиоактивных отходов. Одно из основных следствий изменения климата — повышение уровня моря и учащение экстремальных штормов — представляет очевидную угрозу для многих прибрежных объектов.

В Шотландии на АЭС «Дунрей» реализуется проект по стабилизации скальных склонов в целях предотвращения эрозии пород под фундаментом электростанции. В России береговые базы долгие годы находятся в катастрофическом состоянии, самый известный пример — база в бухте Андреева в Мурманской области. В прошлом имели место серьезные утечки с этих баз, и можно предположить, что с изменением климата ситуация лишь ухудшится. В настоящее время «Росатом» ведет работы по реконструкции некоторых прибрежных баз и выводу из эксплуатации отслуживших свой срок. Следует также учитывать, что в эпоху СССР в Карском море и Тихом океане было затоплено множество ядерных подводных лодок, реакторов и контейнеров с радиоактивными отходами. Четкие планы по поднятию или обеспечению радиационной безопасности этих объектов, судя по всему, отсутствуют. Между тем повышение температуры и кислотности вод, вызванное изменением климата, может ускорить коррозию контейнеров, удерживающих радиоактивные вещества.

REUTERS/Christian Hartmann
Дмитрий Конухов:
Вакцина для атома: кибербезопасность АЭС

Долгосрочное хранение

Наличие долгоживущих изотопов обусловливает необходимость крайне длительного хранения ядерных отходов — вплоть до сотен тысяч лет. В связи с этим в 1960-х гг. СССР и США начали закачивать жидкие отходы непосредственно в пласты горных пород. В 1984 г. американцы ввели запрет на такую форму захоронения, в России же эта практика продолжается. Так, в Железногорске (бывший Красноярск-26) закачивание производилось в пористые слои песчаника, блокированные глинами, на глубинах до 400 м. Лицензия на данный вид деятельности на этом участке действует до 2020 г. В настоящее время многие страны рассматривают возможности глубокого геологического захоронения, т.е. размещения отходов в стабильных блоках горной породы на глубине 250–1000 м для могильников шахтного типа и 2000–5000 м для могильников скважинного типа. В отличие от закачки жидких отходов, при такой технологии отходы приводятся в твердое состояние и размещаются в специальных контейнерах. Изолированность от окружающей среды в глубинных геологических хранилищах достигается за счет сочетания целого ряда инженерных и природных барьеров, таких как глины, соли и скальные породы. Кроме того, такие объекты не требуют активного обслуживания. Размещение глубинных хранилищ обычно определяется их геологической стабильностью и гидрогеологическими условиями.

В 2015 г. правительство Финляндии утвердило план по сооружению глубинного хранилища на острове у западного берега страны. Предполагается, что оно будет заполнено приблизительно к 2120 г. В США глубокое геологическое захоронение используется для некоторых отходов средней активности; в то же время планы по созданию национальной площадки для хранения отработанного топлива и высокоактивных ядерных отходов в Юкка-Маунтин в штате Невада натолкнулись на сопротивление местных политических активистов. В Канаде, Великобритании, Германии и Японии начата разведка потенциальных мест глубинного захоронения, однако соответствующие объекты удастся запустить в эксплуатацию не ранее чем через несколько десятков лет. «Росатом» также планирует окончательное захоронение определенного объема высокоактивных и долгоживущих отходов в глубоких геологических формациях (на глубине более 500 м) в Красноярском крае в период 2021–2030 гг. Захоронение предполагается осуществить на базе подземной лаборатории, которая подтвердит соответствие геологических процессов на данном участке недр требованиям безопасности.

Считается, что более долгосрочная климатическая динамика (в периоде от 10 тыс. лет) будет определяться множеством факторов, включая изменение инсоляции в связи с циклическими изменениями орбиты Земли вокруг Солнца. Все эти факторы в совокупности приведут к повторению ледникового периода — с оледенением, формированием многолетней мерзлоты и колебанием уровня моря, что неизбежно повлияет на состояние недр. Несмотря на кажущуюся бессмысленность столь долгосрочного анализа климатической динамики, необходимо помнить, что указанный срок сопоставим с периодом распада радионуклидов в отработанном ядерном топливе (100 тыс. лет и более). Поэтому пора начинать учитывать воздействие долгосрочного изменения климата при анализе безопасности глубоких геологических захоронений радиоактивных отходов.

Существуют и другие возможности долгосрочного хранения ядерных отходов. Так, для Билибинской АЭС на Чукотке, удаленность которой обусловливает высокую стоимость транспортировки отходов, предлагалось построить пункт окончательной изоляции радиоактивных отходов в вечной мерзлоте. В краткосрочной перспективе вечная мерзлота дает такие преимущества, как отсутствие движения вод и замедление химических реакций, что увеличивает период работоспособности инженерных барьеров. Однако с изменением климата эффективность такого хранилища может серьезно снизиться.

REUTERS/Stephane Mahe
Дмитрий Кику:
Глобальное противодействие изменению
климата — время скоординированных усилий

Общая проблема всех хранилищ заключается в том, что природные барьеры подвержены воздействию окружающей среды — термических, гидрологических, механических и химических процессов. Эффективность этих барьеров и, следовательно, безопасность хранилищ может меняться по-разному, зачастую непредсказуемо, под влиянием изменений температуры, скорости течения и химического состава грунтовых вод, содержания соли в морской воде и т.д. В долгосрочной перспективе все эти параметры могут измениться вслед за климатическими условиями, особенно если рассматривать временной отрезок, охватывающий начало нового ледникового периода.

Рекомендации для будущей политики

Временные масштабы изменения климата сопоставимы с длительностью процессов, учитываемых при утилизации ядерных отходов, и климатические риски обязательно нужно подвергать оценке. Соответствующие исследования должны проводиться на национальном уровне и предусматривать анализ особенностей каждого конкретного хранилища, размещаемых в нем отходов и местных условий. В частности, следует принимать во внимание температуру, уровень моря, осадки, ледниковые процессы и параметры вечной мерзлоты.

Некоторые страны, например Великобритания и Швеция, уже начали учитывать риски, связанные с изменением климата, в своих планах по утилизации ядерных отходов. Однако ученые лишь начинают понимать, какие метеорологические, геологические и геохимические процессы обусловит изменение климата в будущем и как это повлияет на эффективность хранилищ. Поэтому наши возможности на данном этапе весьма ограничены. Особые сложности связаны с составлением долгосрочных прогнозов. Сомнения вызывает также надежность механизма передачи знаний будущим поколениям. Анализ истории показывает, что человечество не в состоянии обеспечить преемственность цивилизаций и передачу знаний последующим поколениям на протяжении тысячелетий. В связи с этим встает вопрос: будут ли следующие поколения знать, где находятся могильники? И как обеспечить безопасность в случае возникновения нежелательных ситуаций?

Сегодня эти долгосрочные соображения редко учитываются при разработке отраслевых норм. Риски радиоактивного загрязнения вследствие изменения климата пока мало изучены. Отчасти это связано с неотложностью текущих проблем в области хранения ядерных отходов. Во многих странах, в том числе и в России, внимание сосредоточено на неудовлетворительном состоянии имеющихся объектов и необходимости предотвращения экологических катастроф в более краткосрочном периоде, за который существенного изменения климата не произойдет.